反循環(huán)除霜對(duì)熱泵用螺桿制冷壓縮機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

吳華根 邢子文 束鵬程

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049)

風(fēng)冷熱泵作為中央空調(diào)的冷熱源，自90年代以來在我國得到了廣泛的應(yīng)用。風(fēng)冷熱泵的優(yōu)點(diǎn)在于一機(jī)二用，冬天可提供熱量，夏天可以提供冷量，提高了機(jī)組的利用率，并把空氣作為低溫?zé)嵩矗@對(duì)低品位熱能的開發(fā)和利用具有重要的意義，可以說該類熱泵技術(shù)是一種節(jié)能技術(shù)，非常適合在我國的推廣應(yīng)用。當(dāng)然從風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的效果看，在氣溫偏低且相對(duì)濕度較高的地區(qū)，冬季制熱運(yùn)行時(shí)性能不太理想，主要原因是蒸發(fā)器結(jié)霜及除霜造成風(fēng)冷熱泵機(jī)組供熱能力下降。當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，霜就有可能在風(fēng)側(cè)換熱器的翅片上形成，阻礙了通風(fēng)量，降低換熱器的效率，這就需要進(jìn)行周期性除霜［1］。因此除霜技術(shù)的發(fā)展對(duì)于風(fēng)冷熱泵機(jī)組的推廣將有重大的推動(dòng)作用。O’Neal等［2］研究了短管節(jié)流器孔徑尺寸對(duì)空氣源熱泵除霜性能的影響。Krakow等［3］提出了反循環(huán)除霜的理想模型，闡明了除霜基于以下四個(gè)階段:預(yù)熱階段，融霜階段，蒸發(fā)階段以及烘干階段。黃虎等［4］在對(duì)風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組除霜過程內(nèi)部狀態(tài)變化進(jìn)行定性分析的基礎(chǔ)上，建立了機(jī)組除霜過程動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型。黃東等［5］研究了反循環(huán)除霜時(shí)風(fēng)機(jī)預(yù)先啟動(dòng)和正常啟動(dòng)對(duì)機(jī)組性能的影響。劉志強(qiáng)等［6］在熱氣除霜實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了風(fēng)冷熱泵熱氣除霜過程的動(dòng)態(tài)特性模型，重點(diǎn)模擬了這一過程中霜層側(cè)的傳熱傳質(zhì)和制冷劑側(cè)壓力變化情況。梁彩華等［7］針對(duì)現(xiàn)有逆向除霜方式的不足，提出了一種新型的顯熱除霜方式。Huang等［8］通過實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)境參數(shù)對(duì)于除霜時(shí)帶有經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣壓縮機(jī)的空氣源熱泵的性能影響。湯曉亮等［9］利用時(shí)間－溫差法對(duì)風(fēng)冷冰箱的除霜技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得了較好的效果。張杰等［10］對(duì)小型空氣源熱泵的幾種除霜方式進(jìn)行了比較分析，認(rèn)為相變蓄能除霜有較好的優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)外的研究成果極大的推動(dòng)了熱泵技術(shù)在我國的應(yīng)用。

目前，常用的除霜方式有反循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜、熱水除霜、相變蓄能除霜等。本文主要對(duì)反循環(huán)除霜對(duì)于螺桿壓縮機(jī)性能特性的影響進(jìn)行研究，即當(dāng)化霜開始時(shí)，將風(fēng)冷熱泵的制熱工況轉(zhuǎn)變?yōu)橹评涔r運(yùn)行，把壓縮機(jī)排氣直接進(jìn)入風(fēng)側(cè)換熱器，使得風(fēng)側(cè)換熱器盤管溫度升高，從而對(duì)翅片進(jìn)行除霜時(shí)，螺桿壓縮機(jī)的壓力、溫度、功率等參數(shù)的瞬態(tài)變化情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。這對(duì)在熱泵的實(shí)際運(yùn)用中如何更好的保護(hù)壓縮機(jī)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)于提高熱泵的運(yùn)行性能也富有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 熱泵機(jī)組

為了達(dá)到本文實(shí)驗(yàn)的目的，西安交通大學(xué)自己設(shè)計(jì)建成了風(fēng)冷熱泵性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器以及膨脹閥，還包括其他的輔助器件，圖1顯示的是風(fēng)冷熱泵實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主件流程。該熱泵機(jī)組的名義制熱量為145 kW。系統(tǒng)中雙螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2960 r/min，陰陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)為5、6齒，名義排氣量為3.5 m3/min。

圖1風(fēng)冷熱泵流程圖Fig．1 Schematic diagram of air-source heat pump

1.2 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試裝置

熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)蒸發(fā)器翅片的溫度低于0℃，環(huán)境相對(duì)濕度大于60%時(shí)，翅片表面就可能有結(jié)霜現(xiàn)象發(fā)生。本實(shí)驗(yàn)中，翅片結(jié)霜現(xiàn)象如圖2所示。隨著霜層的增厚，整個(gè)換熱器的性能下降，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體性能不斷下滑，這就需要進(jìn)行反循環(huán)除霜來使熱泵系統(tǒng)能夠恢復(fù)正常的運(yùn)行。依靠此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，螺桿壓縮機(jī)在反循環(huán)除霜過程中的吸、排氣壓力，吸、排氣溫度，功率進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試，經(jīng)由壓力和溫度傳感器探測(cè)，并有數(shù)據(jù)采集卡采集，然后輸入電腦進(jìn)行整理和分析。

圖2風(fēng)側(cè)換熱器結(jié)霜圖Fig．2 Frost on heat exchanger

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了研究反循環(huán)除霜對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，在風(fēng)冷熱泵結(jié)霜工況下人為延長(zhǎng)結(jié)霜時(shí)間，再進(jìn)行反循環(huán)除霜，并對(duì)壓縮機(jī)的吸、排氣壓力和溫度，壓縮機(jī)功率，制熱量進(jìn)行了測(cè)試。

圖3所示為反循環(huán)除霜時(shí)，壓縮機(jī)的吸、排氣壓力的變化情況。圖中橫坐標(biāo)是時(shí)間，在橫坐標(biāo)是395 s時(shí)，四通閥切換風(fēng)冷熱泵由制熱工況轉(zhuǎn)為制冷工況運(yùn)行，壓縮機(jī)的排氣直接噴入風(fēng)側(cè)換熱器(蒸發(fā)器)進(jìn)行除霜，除霜時(shí)間為5 min。

在結(jié)霜過程中，壓縮機(jī)的吸氣壓力有所下降，下降幅度不大，這是因?yàn)殡S著霜層的增厚，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)獲得的熱量越來越少，導(dǎo)致吸氣壓力緩慢的下降。當(dāng)四通閥切換時(shí)，壓縮機(jī)吸氣管道和排氣管道就會(huì)發(fā)生壓力平衡現(xiàn)象，壓縮機(jī)的排氣壓力有了急劇的下降，在短短的30 s內(nèi)從1.845 MPa迅速降到0.638 MPa，吸氣壓力則先急劇的上升，緊接著快速下降，甚至到了0.1 MPa，接近于真空吸氣。這是因?yàn)樗耐ㄩy切換時(shí)，剛排出的高溫高壓制冷劑準(zhǔn)備進(jìn)入冷凝器的氣體被壓縮機(jī)抽回，導(dǎo)致吸氣壓力上升，但是在系統(tǒng)壓力的平衡前，汽液分離器中的液體都被蒸發(fā)完，而系統(tǒng)壓力尚未平衡，壓縮機(jī)吸氣量越來越少，導(dǎo)致吸氣壓力進(jìn)一步下降。這種狀況對(duì)于壓縮機(jī)來說是極其不利的，在吸氣壓力和吸氣量如此低的情況下，排氣壓力必然隨之下降，由于吸、排壓力之間的壓差下降過快，就會(huì)引起壓縮機(jī)的供油量減少，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的溫度會(huì)升高的很快，轉(zhuǎn)子變形量增大，提高了壓縮機(jī)噪聲，并且壓縮機(jī)的軸承的潤(rùn)滑效果也會(huì)下降，降低了軸承的壽命，這對(duì)壓縮機(jī)性能來說是極為有害的。在反循環(huán)除霜過了2 min后，壓縮機(jī)的吸排氣壓力都出現(xiàn)了較大的震蕩，尤其是排氣壓力，這種吸排氣壓力的劇烈變化對(duì)壓縮機(jī)的工作非常不利。

圖3除霜過程中壓力的變化Fig．3 Pressure variation during defrost process

除霜時(shí)壓縮機(jī)吸、排氣溫度的變化如圖4所示。從圖上可以看出，在反循環(huán)除霜開始時(shí)，由于溫度平衡的時(shí)間要比壓力平衡長(zhǎng)，所以沒有馬上出現(xiàn)溫度的大幅度變化，過了幾十秒后，壓縮機(jī)的排氣溫度開始下降，吸氣溫度開始上升。而且吸、排氣溫度的變化程度與壓力相比則緩和許多，排氣溫度先是由90℃下降到75℃，然后逐漸上高，最高至100℃左右，然后下降并逐漸趨于穩(wěn)定，而吸氣溫度先升高到37℃并保持一段時(shí)間，然后逐漸下降。

圖4除霜過程中溫度的變化Fig．4 Temperature variation during defrost process

圖5除霜過程中壓縮機(jī)功率變化Fig．5 Compressor power variation during defrost process

圖6除霜過程中壓縮機(jī)制熱量變化Fig．6 Heat capacity variation during defrost process

反循環(huán)除霜過程中壓縮機(jī)的功率變化如圖5所示。在結(jié)霜階段，壓縮機(jī)功率出現(xiàn)了輕微的減小。當(dāng)反循環(huán)除霜開始時(shí)，壓縮機(jī)功率就有明顯的下降，當(dāng)吸、排氣壓力達(dá)到最小值的同時(shí)壓縮機(jī)功率值也為最小。這主要是由于壓縮機(jī)的質(zhì)量流量有了大幅度的下降引起的，壓縮機(jī)流量減少，所消耗的壓縮機(jī)功也隨之減少。隨著制冷工況的進(jìn)一步延續(xù)，吸、排氣壓力回升，壓縮機(jī)的流量逐步上升，壓縮機(jī)功率也隨著上升。

圖6給出了制熱量在除霜過程中的變化情況。隨著霜層增厚，制熱量逐步下降，當(dāng)制熱量大約只有名義制熱量的一半時(shí)，除霜開始。從圖中可以看出，由于溫度的平衡要比壓力平衡的時(shí)間長(zhǎng)，因此除霜開始一段時(shí)間以后制熱量才有了明顯的下降。隨著除霜過程的進(jìn)行，熱泵系統(tǒng)由向外界提供熱量逐步轉(zhuǎn)為提供冷量。除霜過程中，由于風(fēng)側(cè)換熱器的翅片上的霜導(dǎo)致冷凝效果加強(qiáng)，因此大大增加了機(jī)組的制冷量。由此可見，反循環(huán)除霜將會(huì)導(dǎo)致房間在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)得不到熱量的供應(yīng)，反而會(huì)被提供冷量，極大的降低了房間的溫度，并不利于房間舒適性要求，這也是眾多研究者們探索其他除霜方式的原因之一。

針對(duì)大中型螺桿型風(fēng)冷熱泵而言，在反循環(huán)除霜切換四通閥時(shí)，螺桿壓縮機(jī)的吸、排氣壓力有劇烈的變化，并在后續(xù)的除霜過程中有較大的波動(dòng)，因此針對(duì)該特性進(jìn)行研究尋找適合大中型風(fēng)冷熱泵用螺桿制冷壓縮機(jī)的除霜方式將顯得非常重要。文獻(xiàn)［11］提出了在小型空氣源熱泵中利用串聯(lián)蓄熱除霜模式可以提高吸氣壓力，降低壓力的波動(dòng)。而且從已有的相關(guān)研究文獻(xiàn)來看相變蓄能除霜方式可緩解反循環(huán)除霜時(shí)吸氣壓力過低和熱氣旁通除霜時(shí)間較長(zhǎng)的問題。因此研制合適的相變材料作為蓄能介質(zhì)(具有良好的蓄熱特性和放熱速度)和研究其控制特性，將有可能較好的降低除霜過程中多壓縮機(jī)的沖擊，使該方法成為大中型空氣源熱泵的除霜應(yīng)用中的重點(diǎn)。

3 結(jié)論

總的來說，反循環(huán)除霜方式有利于風(fēng)側(cè)換熱器的霜層被迅速除去并被烘干，但是該方式對(duì)于螺桿壓縮機(jī)的沖擊較大，壓縮機(jī)的吸排氣壓力將會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)，吸氣壓力甚至降到了0.1 MPa，而排氣壓力也會(huì)迅速下降，最低點(diǎn)只有正常工況下的三分之一左右，這會(huì)極大影響壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的供油量，引起供油量的不足，嚴(yán)重時(shí)可能造成壓縮機(jī)及其軸承的損傷。另外，由于反循環(huán)除霜，會(huì)導(dǎo)致房間供熱量不足，舒適性降低。因此探索柔和、高效的除霜方式必然成為熱泵技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。

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